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微型光谱仪:将为智能手机带来一系列新应用!

发布时间:2020-11-02 10:46 作者:千亿app

  荷兰埃因霍芬理工大学开发一种新型光谱仪,尺寸足够小,可以简易并廉价地嵌入到智能手机中,用于检测空气质量、食物新鲜程度、肿块是否是恶性肿瘤。

  智能手机,已经成为许多人生活中不可或缺的电子产品。然而通过不断的科技创新,科研人员为智能手机增加了一系列独特的功能,例如:检测脑震荡、检测血糖、检测病毒、癌症筛查、检查精子活力、检测气体、测试细菌耐药性、检测食物营养成分和新鲜度、计算食品热量、识别材料等等。

  然而,今天我们要特别提及的是一个可配合智能手机使用的特殊设备:光谱仪。之前,笔者介绍过美国华盛顿州立大学的科研团队设计的一种低成本、便携式的智能手机光谱仪。它可以通过测量光谱,即时分析出几种样本中化学物质的数量和类型,捕捉肿瘤标志物,提供实验室级别的检测结果。

  今天,要给大家介绍的是一种新型光谱仪。它的尺寸足够小,可以简易并廉价地嵌入到智能手机中,检测空气质量、食物新鲜程度、肿块是否是恶性肿瘤。

  这款小型传感器由荷兰埃因霍芬理工大学开发,大小正好与科学实验室中使用的普通桌面模型相同。研究人员将他们的创新成果发表于12月20日的《自然通信》(Nature Communications)杂志。

  光谱测定法,可用于分析可见和不可见光,应用范围很广。基于光线的吸收和反射,每种材料和生物组织都具有自己的“足迹”,因此可以通过光谱测定法识别。然而,精准的光谱仪非常庞大,因为它们将光线分成不同颜色(频率),然后单独测量。在光线被拆分开之后,不同频率的光束仍然相互重叠;因此,在拆分开之后,高精准度的测量只能在几十厘米内进行。

  埃因霍芬理工大学的研究人员开发了一种灵巧的传感器,它采用了一种特殊的“光子晶体谐振腔”,一种只有几微米的“陷阱”,让落入其中的光线无法逃脱。这种“陷阱”包含于膜中,在其中被捕获的光线生成微弱的电流,并可以被测量到。博士生arko Zobenica 制作了这种腔体。它十分精准,保持着非常微小的频率间隔,因此只能测量到处于那个频率下的光线。

  为了可以测量到更大的频率范围,研究人员让两层膜上下靠得很近,放置在一起。这两层膜相互影响:如果它们之间的距离稍微发生变化,传感器能够检测到的光线频率也会发生变化。为了这个目标,由 Andrea Fiore 教授和副教授 Rob van der Heijden 管理的研究人员,集成了MEMS(微机电系统)。这种微机电机制让膜之间的距离发生变化,然后测量频率。最终,传感器覆盖的波长范围约达30纳米。在这个范围内,光谱仪能够分清几十万种频率,而且非常精准。之所以可以达到这个效果,是因为研究人员能精准判断膜与膜之间的距离,精度达到几飞米(10^-15 米)。

  Fiore 教授希望再过五年或者更长的时间,新光谱仪会真正集成到入智能手机中,因为目前覆盖的频率范围仍然太小。目前,传感器只覆盖了最常见的光谱的百分之几,近红外部分。所以,他的研究小组将致力于扩展可检测到的光谱。除了微型光谱仪外,他们也采用了其他元件:光源,使得传感器可以独立于外部光源。

  为了演示这种光谱仪的效能,研究团队展示了几种应用,包括气体传感器。他们也聪明地利用当两个膜之间发生相对运动后,检测到的频率会发生变化这一事实,制作了一个极度精准的运动传感器。

  这项技术的应用范围很广。微型光谱仪有望如同摄像头一般,成为智能手机的重要部件。例如,用于测量二氧化碳、监测烟雾、判断你吃的药物、测量食物的新鲜程度,测量血糖水准等等。


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